土的压缩性与地基沉降计算资料

土的压缩性与地基沉降计算资料第一页，共37页。第三章土的压缩性与

地基沉降计算§3.1土的压缩性§3.2地基最终沉降量§3.3建筑物沉降观测与地基容许变形第二页，共37页。荷载作用下土体的压缩性;土的压缩试验和固结试验;地基最终沉降量的计算;土的变形与时间关系(一维固结理论)。主要内容:重点：土的压缩性和压缩性指标的确定;用分层总和法和规范法计算基础沉降的;了解固结原理和固结随时间变化的概念.第三页，共37页。土具有压缩性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度均匀沉降（沉降量）不均匀沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用概述土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应－沉降速率第四页，共37页。工程实例问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。左侧建筑物于1969年加固。墨西哥某宫殿左部：1709年；右部：1622年；地基：20多米厚的粘土第五页，共37页。美国双子大厦受外力撞击建筑物倾斜。第六页，共37页。§3.1土的压缩性土压缩的原因固体土颗粒本身被压缩土空隙中水及封闭气体被压缩水和气体从孔隙中被挤出土体在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性1、压缩性一、基本概念第七页，共37页。2、固结与固结度

作用于饱和土体内某截面上总的正应力s由两部分组成：一部分为孔隙水压力u，它沿着各个方向均匀作用于土颗粒上，其中由孔隙水自重引起的称为静水压力，由附加应力引起的称为超静孔隙水压力（孔隙水压力）；另一部分为有效应力σ’，它作用于土的骨架（土颗粒）上，其中由土粒自重引起的即为土的自重应力，由附加应力引起的称为附加有效应力。饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系：（1）任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和；（2）土的变形是有效应力引起的。固结：土的压缩随时间而增长的过程第八页，共37页。加荷瞬间，σ=u而σ’=0。随着时间的增长，u下降，而σ’增长。当固结变相稳定时，u=0而σ’=σ，由此可见饱和土压密过程实际上是孔隙水压力逐渐消散，有效压力增加的过程，则饱和土完全固结。固结度ut:土的固结过程中某一时间t的固结沉降量s1与固结稳定的最终沉降量s之比称为固结度ut。当t=0时，st=0，则ut=0，即固结完成0%当固结稳定时，st=s,则ut=1.0，即固结基本上达到100%完成。固结度的变化范围为0～1，它表示在某一荷载作用下经过t时间后土体所能达到的固结程度。第九页，共37页。水槽内环环刀透水石试样传压板百分表逐级施加荷载，至变形稳定测定：竖向压应力竖向变形试验结果：二、室内压缩试验与压缩性指标第十页，共37页。1、压缩试验与e-p曲线研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vv＝e0Vs＝1h0/(1+e0)h0V’v＝eiVs＝1hi/(1+e)phisi受荷后土样的高度变化:设初始高度h0,受压后的高度hi,则hi=h0—si,si为每级荷载作用下的变形量土样体积在受压前后不变其中由于逐级（一般为6级）施加荷载在不同压力p作用下，可得到相应的孔隙比e，根据一一对应关系，以横座标表示压力，以纵座标表示孔隙比，绘制e-p曲线，称为压缩曲线．第十一页，共37页。试验过程中的两个基本条件:受压前后土粒体积不变和土样横截面面积不变。e0eppi压缩曲线再压缩曲线残余变形e-p曲线压缩曲线的绘制方式e-p曲线e-lgp曲线

回弹曲线弹性变形第十二页，共37页。10010000.60.70.80.9eCc11Cee-lgp曲线第十三页，共37页。2、压缩性指标（MPa-1）1）、压缩系数：一般取压缩曲线上M1M2两点切线的斜率值，称为土的压缩系数。实际工程中，往往用割线斜率表示：土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土≥0.5中压缩性土0.1～0.5低压缩性土<0.1p1p2e1e2M1M2e0epe-p曲线△p△eβ《规范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性根据压密定律：在竖向压力变化不大的范围内，孔隙比的变化量与压力之间的变化量，二者之间的关系近似用一条直线来代替。第十四页，共37页。2）、压缩指数Cc：10010000.60.70.80.9eCc11Ce压缩指数Ce回弹指数（再压缩指数）Ce

<<Cc，一般Ce≈0.1-0.2Cce-p曲线缺点：不能反映土的应力历史

特点：有一段较长的直线段指标：第十五页，共37页。3)、压缩模量Es：土在完全侧限条件下竖向应力与相应的应变增量的比值。侧限压缩模量单位：Mpa，

Kpae1-相当于压力p1的孔隙比：a-相当于压力p1增加至p2时的压缩系数土的类别ES(MPa-1)低压缩性土≥15中压缩性土4～15高压缩性土≤4第十六页，共37页。三.土压缩性的原位测试现场载荷试验:是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。地基土现场载荷试验图反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表1－承压板2－千斤顶

3－百分表

4－平台

5－支墩

6－堆载第十七页，共37页。试验加荷标准应符合下列要求：加荷等级应不小于8级，最带加荷量不应小于设计荷载的2倍；每级加荷后，按间隔10、10、10、15、15min，以后为每30min读一次沉降量，沉降量＜0.1mm/h认为稳定可以加下一次荷载；除第一次，其后每次加荷，对松软土10～25kPa，对坚硬土50kPa。凭观测累计荷载下的沉降量s，直到达到以下状况终止加载：荷载试验p～S曲线oPcrPuPS1arbcs1）荷载板周围的土有明显基础；2）荷载p增量很小，但沉降量s却急剧增大：3）在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；4）沉降量与承压板宽度或直径之比（s/b)≥0.06。第十八页，共37页。§3.2地基最终沉降量的计算最终沉降量S∞：t∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。不可压缩层可压缩层σz=pp地基表面的竖向变形，称为地基沉降，或基础沉降。第十九页，共37页。1、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半经验性方法。一、地基最终沉降量分层总和法（a）假设基底压力为线性分布，认为土质是均匀的（b）采用基础中心点下附加应力为计算依据（c）不考虑土的侧向变形，因压缩性指标是在侧限条件下测定的（d）地基最终沉降量等于各层土沉降量之和：si第i层土的沉降量第二十页，共37页。2、计算公式：最终沉降量：各分层沉降量：e1i———由第i层的自重应力均值从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比

e2i———由第i层的自重应力均值与附加应力均值之和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比Esi———第i分层土的压缩模量；σzi———第i层土上下层面所受附加应力的平均值第二十一页，共37页。3、计算步骤：d地面基底pp0d自重应力附加应力压缩层下限(沉降计算深度）szizihi(b)分别计算每分层界面处的自重应力和附加应力，并画出应力图形(c)确定地基中压力层厚度zn。采用应力比:(a)划分薄层hi①不同土层界面；②地下水位标高处；③每层厚度≤0.4b(基础宽度）；(f)计算地基最终沉降量，实际就是将各薄层土沉降量之和s=Si(d)计算每薄层土沉降量Si①一般土层：σz/σsz≤0.2；②软粘土层：σz/σsz≤0.1

；zn第二十二页，共37页。二、《建筑地基基础设计规范》方法在总结大量实践经验的基础上，对分层总和法的计算结果，作必要的修正。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）提出的一种计算方法——简称“规范法”。《规范》法的要点：(1)引入平均附加应力系数的概念(2)引入一个沉降计算经验系数ψs则修正后的地基沉降量为：一般情况：软粘土（应力集中）S偏小,Ψs>1

硬粘土（应力扩散）S偏大,Ψs<1沉降计算经验系数第二十三页，共37页。1.计算原理设地基土层均质、压缩模量不随深度变化，则：:深度Z范围内竖向附加应力面积A的等代值:深度Z范围内竖向附加应力系数,，A—应力面积第二十四页，共37页。《规范法》地基沉降计算简图：第二十五页，共37页。2.地基沉降计算深度（地基压缩层厚度）对于地基的计算深度，即地基压缩层厚度，可分两种情况：⑵无相邻荷载的基础中点下:式中b-基础宽度，适用于1m～30m范围。⑴有相邻荷载影响:或：在计算深度zn范围内，第i层土的变形值：在zn处向上取厚度△z土层的计算变形值，△z按规定确定。计算层厚度△z值的选取：表3-5第二十六页，共37页。在计算地基变形时，应考虑相邻荷载的影响，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算。规范法计算基础沉降量的步骤为：（1）计算基底附加应力；

（2）以天然土层作为分层面（即按Es分层）；

（3）确定压缩层厚度zn，采用变形比

（4）分别计算每层土的变形量

（5）计算基础总沉降量第二十七页，共37页。【例】试按规范推荐的方法计算图所示基础Ⅰ的最终沉降量，并考虑基础Ⅱ的影响。已知基础Ⅰ和Ⅱ各承受相应于准永久组合的总荷载值Q=1134KN，基础底面尺寸b×l=2m×3m,基础埋置身度d=2m。其他条件见图。【解答】⑴、计算基底压力基底处总压力基底处土的自重压力⑵、计算压缩层范围内各土层压缩量计算过程见图表第二十八页，共37页。zi

(m)基础Ⅰ基础Ⅱ对基础Ⅰ的影响ain=l/bm=l/baⅠin=l/bm=l/baⅡi01.501.0003.32.0002.01.520.75761.30.00420.76074.01.540.50852.70.01420.52273.71.53.70.53652.50.01300.5495zi

(m)aizi(m)aizi-ai-1zi-1(m)Esi(kPa)△si=p0(aizi-ai-1zi-1)

/Esi(mm)∑△sI(mm)△sn/∑△si002.01.5221.522829.129.14.02.0910.569108.737.83.72.0330.058100.880.023第二十九页，共37页。⑶、确定压缩层下限在基底下4m深范围内土层的总变形量，在处以上（基础宽度b=2m，查表3-5得）厚土层变形值。故所取沉降计算深度满足规范要求。⑷、确定沉降计算经验系数压缩层范围内土层压缩模量的平均值

查表3-3得ψs=0.9。⑸、计算基础最终沉降量第三十页，共37页。三、土的沉降与时间的关系

●饱和粘性土地基在建筑物荷载作用下要经过相当长时间才能达到最终沉降，不是瞬时完成的。为了建筑物的安全与正常使用，对于一些重要或特殊的建筑物应在工程实践和分析研究中掌握沉降与时间关系的规律性，这是因为较快的沉降速率对于建筑物有较大的危害。例如，在第四纪一般粘性土地区，一般的四、五层以上的民用建筑物的允许沉降仅10cm左右，沉降超过此值就容易产生裂缝；而沿海软土地区，沉降的固结过程很慢，建筑物能够适应于地基的变形。因此，类似建筑物的允许沉降量可达20cm甚至更大。

●碎石土和砂土的压缩性小而渗透性大，在受荷后固结稳定所需的时间很短，可以认为在外荷载施加完毕时，其固结变形就已经基本完成。饱和粘性土与粉土地基在建筑物荷载作用下需要经过相当长时间才能达到最终沉降，例如厚的饱和软粘土层，其固结变形需要几年甚至几十年才能完成。因此，工程中一般只考虑粘性土和粉土的变形与时间的关系。第三十一页，共37页。一、建筑物沉降观测3.3建筑物沉降观测与地基容许变形值（1）验证工程设计与沉降计算的正确性；（2）判别建筑物施工的质量；（3）发生事故后作为分析事故原因和加固处理依据。能够及时发现建筑物变形并防止有害变形的扩大。（1）埋设地点要靠近观测对象，但必须在建筑物所产生的压力影响范围以外。（2）在一个观测区内，水准基点≥3个，埋置深度应与建筑物基础的埋深相应。（1）根据建筑物的平面形状，结构特点和工程地质条件考虑布置观测点。（2）一般设置在四周的角点、转角处、纵横墙的中点、沉降缝和新老建筑物的连接处。（3）数量一般不小于6点，间距一般为6～12米。1.目的

2.必要性

3.水准基点的设置

4.观测点的设置第三十二页，共37页。沉降观测采用精密水准仪，观测精度为0.01㎜。民